生物学基因转录实用教案

1、第1页/共86页第一页，共86页。The synthesis of RNA molecules using DNA strands as the templates so that the genetic information can be transferred from DNA to RNA.Transcription第2页/共86页第二页，共86页。转录(zhun l)泡 转录(zhun l)单位转录(zhun l)后加工 内含子 外显子 Transcription unitTranscription bubblePost-transcriptional modificationInt

2、ronExon第3页/共86页第三页，共86页。核酶 RNA剪接(jinji) 逆转录 断裂基因套索RNARNA splicingReverse transcriptionRibozymeSplite geneLariat RNA第4页/共86页第四页，共86页。第5页/共86页第五页，共86页。l 负责核苷酸链延长的分子?l 链延伸的方向?l 模板阅读原则?l RNA合成局部的结构(jigu)特征? l 模板的结构(jigu)需求?第6页/共86页第六页，共86页。RNA-pol核心核心(hxn)酶酶DNA RNA第7页/共86页第七页，共86页。u 核心核心(hxn)酶负责反应催化酶负责反

3、应催化u 原核原核亚基解离亚基解离u 真核真核CTD磷酸化磷酸化u 新的新的NTP加在加在3-OH上上u RNA链从链从5端向端向3端延伸端延伸u 与模板碱基配对，与模板碱基配对，U对对Au 模板被从模板被从3端向端向5端阅读端阅读u 模板局部开链小于模板局部开链小于20bpu 局部有局部有12bpRNA-DNA杂化双链杂化双链u 模板前方需拓扑异构酶模板前方需拓扑异构酶u 真核生物需要有核小体移位真核生物需要有核小体移位u 原核生物原核生物RNA同时合成蛋白同时合成蛋白第8页/共86页第八页，共86页。1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模聚合酶核心酶变构，与模板结合松

4、弛板结合松弛(sn ch)，沿着，沿着DNA模板前移模板前移 2. 在核心酶作用下，在核心酶作用下，NTP不断不断(bdun)聚合，聚合，RNA链不断链不断(bdun)延长延长(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi第9页/共86页第九页，共86页。第10页/共86页第十页，共86页。原核生物转录过程(guchng)中的羽毛状现象5 3 DNA核糖体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶转录(zhun l)与翻译同时进行第11页/共86页第十一页，共86页。Simultaneous transcriptions and translation第12页/共86页第十二页，共86页。1.

5、 真核生物转录延长真核生物转录延长(ynchng)过程与原核生物大过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象现象2. RNA-pol前移处处前移处处(chch)都遇上核小体。转都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象第13页/共86页第十三页，共86页。第14页/共86页第十四页，共86页。转转录录(zhun l)延延长长中中的的核核小小体体移移位位RNA-PolRNA-PolRNA-Pol核小体核小体转录方向第15页/共86页第十五页，共86页。第16页/共86页第十

6、六页，共86页。u依赖依赖Rho ()因子因子(ynz)的转录终止的转录终止u非依赖非依赖Rho因子因子(ynz)的转录终止的转录终止RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿模板上停顿(tngdn)，转录产物转录产物RNA链从转录复合物上脱落链从转录复合物上脱落分类分类第17页/共86页第十七页，共86页。DNA模板上靠近终止处，特殊的碱基序列转录模板上靠近终止处，特殊的碱基序列转录(zhun l)出出RNA后，后，RNA产物与产物与Rho因子结合，终因子结合，终止转录止转录(zhun l)ATP第18页/共86页第十八页，共86页。n 使使RNARNA聚合酶变构，转录停顿聚合酶变构，转录停顿(

7、tngdn)(tngdn)n 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA RNA n 产物释放。产物释放。DNADNA模板上靠近终止处，有些模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出特殊的碱基序列，转录出RNARNA后，后，RNARNA产物产物(chnw)(chnw)形成形成特殊的茎环结构来终止转录特殊的茎环结构来终止转录第19页/共86页第十九页，共86页。)终终止止第20页/共86页第二十页，共86页。第21页/共86页第二十一页，共86页。5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点转录终止的修饰

8、点5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNA 与转录(zhun l)后修饰密切相关Poly（A）位点）位点第22页/共86页第二十二页，共86页。转录转录(zhun l)单位单位一个(y )转录单位就是从启动子到终止子的一段序列，是一段以一条单链RNA分子为表达产物的DNA片段transcription unit第23页/共86页第二十三页，共86页。第24页/共86页第二十四页，共86页。原核细胞原核细胞RNA聚合酶（全酶）与启动子相互作用聚合酶（全酶）与启动子相互作用真核细胞真核细胞RNA聚合酶、反式作用因子聚合酶、反式作用因子(ynz)与顺式元件相互作用与顺式元件相互作

9、用 1.起始起始(q sh)第25页/共86页第二十五页，共86页。 2.延伸延伸(ynshn)核心核心(hxn)酶催化酶催化 RNARNA聚合酶催化聚合酶催化(cu (cu hu)hu)，需核小体解聚，需核小体解聚原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞第26页/共86页第二十六页，共86页。3. 终止终止(zhngzh)原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞依赖依赖(yli)因子因子不依赖不依赖因子因子RNA 3 端形成茎环结构端形成茎环结构第27页/共86页第二十七页，共86页。第28页/共86页第二十八页，共86页。u 原核细胞原核细胞u 真核细胞真核细胞第29页/共86页第二十九页，共86页。AU

10、GGG UAA开放(kifng)阅读框AAAAAAA.An5非翻译(fny)区3非翻译(fny)区5帽结构帽结构m7Gpppp3多聚 (A) 尾真核生物真核生物mRNAmRNA的一般结构的一般结构第30页/共86页第三十页，共86页。基因基因(jyn)结结构构mRNA 结构结构(jigu)真核生物的结构真核生物的结构(jigu)基因基因第31页/共86页第三十一页，共86页。真核生物的结构基因由若干个编码区和非编码区相互间隔但又连续镶嵌而成，真核生物的结构基因由若干个编码区和非编码区相互间隔但又连续镶嵌而成，为一个为一个(y )蛋白质编码，因此称为断裂基因蛋白质编码，因此称为断裂基因外显子外显

11、子内含子内含子在断裂基因的初级转录产物上出现在断裂基因的初级转录产物上出现(chxin)(chxin)，并表达为成熟，并表达为成熟mRNAmRNA的序列的序列在断裂基因的初级转录产物上出现在断裂基因的初级转录产物上出现(chxin)(chxin)，而在剪接过程中被去除的序列，而在剪接过程中被去除的序列第32页/共86页第三十二页，共86页。 AG no-coding region17coding regionL12345677 700 bpThe structural genes are composed of coding and non-coding regions that are al

12、ternatively separated. Split gene EABCDFG第33页/共86页第三十三页，共86页。1993年诺贝尔生理学或医学奖 Phillip Sharp Richard Roberts 周芷 第34页/共86页第三十四页，共86页。 Primary transcripts of mRNA are called as heteronuclear RNA (hnRNA). hnRNA are larger than matured mRNA by many folds. Modification includes Capping at the 5 - end Taili

13、ng at the 3 - endmRNA splicingRNA edition Modification of hnRNA 第35页/共86页第三十五页，共86页。55端加帽端加帽转录终止前已经完成，加入转录终止前已经完成，加入m7G5ppp，可稳定可稳定mRNA并帮助翻译并帮助翻译(fny)起始起始7甲基鸟嘌呤核苷三磷酸甲基鸟嘌呤核苷三磷酸(ln sun) （m7GTP）加帽酶加帽酶第36页/共86页第三十六页，共86页。33加尾加尾长度(chngd)100200个核苷酸加尾信号处切离加尾信号处切离,并加并加poly (A)，与稳定，与稳定(wndng)mRNA及翻译效率有关及翻译效率有

14、关核酸酶核酸酶CFI、CFII poly(A)聚合酶聚合酶PAP3-OH引入引入100-200个个A真核基因真核基因(jyn)3端端AATAA及下及下游序列转录生游序列转录生成成RNA切除切除3尾尾1025碱基碱基第37页/共86页第三十七页，共86页。mRNAmRNA的剪接的剪接(jinji)(jinji)mRNA splicing剪接剪接(jinji)(jinji)对象对象剪接剪接(jinji)(jinji)场所场所小分子核糖核蛋白小分子核糖核蛋白snRNP, U1、U2、U4、U5、U6剪接序列剪接序列 剪接反应剪接反应剪接方式剪接方式第38页/共86页第三十八页，共86页。The ma

15、tured mRNAs are much shorter than the DNA templates. DNAmRNALariat RNA第39页/共86页第三十九页，共86页。mRNAmRNA的剪接的剪接(jinji)(jinji)Twice transesterification第40页/共86页第四十页，共86页。第41页/共86页第四十一页，共86页。 由U1 snRNA以碱基互补的方式识别mRNA前体5剪接点，由结合在3剪接点上游富嘧啶(m dn)区的U2AF（U2 auxiliary factor）识别3剪接点并引导U2 snRNP与分支点相结合，形成剪接前体（pre-splic

16、eosome）。 剪接(jinji)前体进一步与U4、U5、U6 snRNP三聚体相结合，形成剪接(jinji)体。 真核生物(shngw)mRNA前体中内含子剪接过程示意图第42页/共86页第四十二页，共86页。“拇指拇指(mzh)姑娘姑娘”之谜之谜microcephalic osteodysplastic primordial dwarfism type I (MOPD I) 第43页/共86页第四十三页，共86页。Deep sequencingGene encoding U4atac snRNA is mutated in individuals with MOPD I第44页/共86页

17、第四十四页，共86页。 通过不同剪接方式选择性使用外显子，合成功能不同而结构(jigu)只有微小差异的蛋白质选择性剪接选择性剪接(jinji)Alternative splicing第45页/共86页第四十五页，共86页。第46页/共86页第四十六页，共86页。Cell 147, 132146, September 30, 2011第47页/共86页第四十七页，共86页。Model AS Switch in Controlling ESC Pluripotency and Differentiation第48页/共86页第四十八页，共86页。Taking place at the transc

18、ription levelOne gene responsible for more than one proteinsSignificance: gene sequences, after post-transcriptional modification, can be multiple purpose differentiation. mRNA编辑编辑(binj)第49页/共86页第四十九页，共86页。Different pathway of apo B Human apo B genehnRNA (14 500 base)liverapo B100（500 kD）intestineap

19、o B48（240 kD）CAA to UAAAt 6666第50页/共86页第五十页，共86页。成熟成熟(chngsh)mRNA蛋白质蛋白质细胞核细胞核细胞质细胞质真核生物真核生物(shngw)(shngw)成熟成熟mRNAmRNA的运输的运输信使信使(xnsh)核糖核蛋白核糖核蛋白颗粒颗粒(mRNP)第51页/共86页第五十一页，共86页。切除切除5端端16个核苷酸个核苷酸切除切除3端核苷酸端核苷酸加加CCA碱基修饰为稀有碱基碱基修饰为稀有碱基剪接去除剪接去除(q ch)反密码环处的内含子反密码环处的内含子RNase PRNase D核苷酸转移酶核苷酸转移酶第52页/共86页第五十二页，共

20、86页。第53页/共86页第五十三页，共86页。 1981 1981年年Cech TCech T在研究四膜虫在研究四膜虫(Tetrahymena thermophila) (Tetrahymena thermophila) rRNArRNA前体拼接过程中发现前体拼接过程中发现(fxin)(fxin)，此类的拼接无需蛋，此类的拼接无需蛋白质的酶参与作用，它可自我催化完成。白质的酶参与作用，它可自我催化完成。CechCech称具有催化称具有催化功能的功能的RNARNA为核酶（为核酶（ribozymeribozyme）。）。 1989 1989年年cech Tcech T和和Altman SAltm

21、an S共同获诺贝尔化学奖，共同获诺贝尔化学奖，Altman SAltman S的贡献是发现的贡献是发现(fxin)Rnase P(fxin)Rnase P中的中的M1RNAM1RNA单独单独也具有催化功能也具有催化功能 。核酶的发现。核酶的发现(fxin)(fxin)改变了酶的化改变了酶的化学本质是蛋白质的传统观念。学本质是蛋白质的传统观念。第54页/共86页第五十四页，共86页。The M1 RNAin ribonucleaseP is catalyticThe intron inthe pre-rRNA ofTetrahemena is self-spliced第55页/共86页第五十五

22、页，共86页。锤头核酶的结构(jigu)Hammer-head第56页/共86页第五十六页，共86页。设计锤头核酶定向(dn xin)切割靶RNA第57页/共86页第五十七页，共86页。 Be a supplement to the central dogma Redefine the enzymology Provide a new insights for the origin of life Be useful in designing the artificial ribozymes as the therapeutical agents Significance of ribozym

23、e第58页/共86页第五十八页，共86页。生命生命(shngmng)起源的探索起源的探索-DNA world or RNA world ？逆转录 核酶第59页/共86页第五十九页，共86页。哪一种先出现(chxin)，蛋白质还是DNA？RNA，RNA，RNARNA，RNA，RNA，RNARNA，RNA，RNARNA， RNA，RNARNA 世界(shji)DNA蛋白质第60页/共86页第六十页，共86页。第61页/共86页第六十一页，共86页。第62页/共86页第六十二页，共86页。$染色质和核小体结构对转录有深刻的影响$真核细胞RNA聚合酶高度分工$转录还需要许多(xdu)被称为转录因子的蛋

24、白质的 参与$启动子以外的序列参与调节基因的转录$转录与翻译不存在偶联关系$转录的产物多为单顺反子，而原核基因的转录产物多为多顺反子第63页/共86页第六十三页，共86页。第64页/共86页第六十四页，共86页。逆转录病毒(bngd)细胞内的逆转录现象:RNA 模板模板(mbn)逆转录酶逆转录酶DNA-RNA杂化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA第65页/共86页第六十五页，共86页。艾滋病毒完整(wnzhng)的生活史第66页/共86页第六十六页，共86页。Prof. David Ho治疗(zhlio)艾滋病的“鸡尾酒”疗法第67页/共86页第六十七页，共86

25、页。小 结转录的过程包括(boku)几个主要步骤hnRNA的转录(zhun l)后修饰有哪些第68页/共86页第六十八页，共86页。 replicationtranscriptiontemplatedouble strandssingle strandsubstratedNTPNTPprimer yesno enzymeDNA polymeraseRNA polymeraseproductdsDNAssRNApatternA-TSemidiscontinu- A-UContinu- base pairprocessingnoyes第69页/共86页第六十九页，共86页。第70页/共86页第七十

26、页，共86页。第71页/共86页第七十一页，共86页。5335RNA合成合成(hchng)中的中的 DNA模板模板有意义有意义(yy)链、链、Waston 链、负链链、负链反意义链，反意义链，Crick 链、正链链、正链 第72页/共86页第七十二页，共86页。 第73页/共86页第七十三页，共86页。 RNA-pol I 核仁核仁(h rn) 45S-rRNARNA-pol II 核质核质 hnRNA、miRNARNA-pol III 核质核质 5S-rRNA、tRNA、snRNA种类种类 细胞细胞(xbo)(xbo)内定位内定位 转录产转录产物物Mt RNA-pol 线粒体线粒体 线粒体线粒体RNAs 第74页/共86